Verfahrensentwicklung zur Haftungsverbesserung von mechanisch und thermisch hochbeanspruchten Textil-Elastomer-Verbunden
Die technologische und damit auch wirtschaftliche Bedeutung von Faserverbundwerkstoffen wächst stetig.
Dieser Erfolg beruht im Wesentlichen darauf, dass die Vielfalt der zur Verfügung stehenden Faser- und Matrixmaterialien sowie die damit verbundenen Fertigungsverfahren einen großen Gestaltungsraum für das Design maßgeschneiderter Werkstoffe eröffnet.
Vor allem polymerfaserverstärkte Elastomer-Verbundwerkstoffe, die aus einer synthetischen Elastomermatrix mit eingelagerten Verstärkungsfasern in Form von Filamentgarnen bestehen, die uni-, bi- oder multiaxial orientiert sein können, sind weit verbreitet und werden in sehr unterschiedlichen technischen Produkten eingesetzt (Antriebselemente wie Zahn- oder Keilriemen, Schläuche, gummibezogene Walzen, Transportbänder, Dichtungen, Luftfedersysteme, Rohre etc.).
Diese Einsatzgebiete stellen hinsichtlich der thermischen und mechanisch-dynamischen Beanspruchung höchste Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe.
Das Ziel des Projekts besteht in der Verfahrensentwicklung zur Haftungsverbesserung der Materialien für dynamisch und thermisch hochbeanspruchte Textil-Elastomer-Verbundwerkstoffe für die bestmögliche Ausnutzung des Potenzials der beiden Verbundkomponenten Faser und Matrix durch anforderungsgerechtes Grenzschicht- und Verbunddesign unter besonderer Berücksichtigung einer beanspruchungsgerecht integrierten textilen Verstärkungsstruktur und unter Beachtung der Wirtschaftlichkeit.
Im Zuge dieses Projekts werden folgende Forschungsschwerpunkte bearbeitet:
- Konstitutive Modellierung der ausgewählten Faser- und Elastomermaterialien, sowie der Grenzschicht. Hierin wird zunächst eine physikalisch motivierte konstitutive Beschreibung der Verstärkungsfasern, der Elastomermaterialien, sowie der Grenzschicht unter Berücksichtigung der elastischen und gegebenenfalls inelastischen Fasereigenschaften und der elastomertypischen Charakteristiken bereitgestellt
- Simulation von Faden-Elastomerverbunden auf der Mesoebene und Definition repräsentativer Belastungszustände. Basierend auf den entwickelten Material- und Interface-Modellen wird zunächst das mechanische Verhalten von Faden-Modellverbunden abgebildet. Darauf aufbauend erfolgen unter Berücksichtigung der in AS 1 festgelegten Anforderungsprofile die Definition und die Simulation repräsentativer Belastungszustände zur Charakterisierung des Verbundverhaltens auf Strukturebene.
- Formulierung eines effizienten makroskopischen Materiallmodells für Struktursimulation, auf Basis der Homogenisierung der MesoebenernUnter Nutzung der Ergebnisse aus den vorangegangenen Schwerpunkten muss zur Bereitstellung des für die Struktursimulationen benötigten makroskopisch homogenen Materialmodells zunächst eine Homogenisierung der anisotropen Charakteristiken in Abhängigkeit von Faserwinkel, Fasergehalt sowie Haftungs- und Schädigungsverhalten der Grenzschicht erfolgen. Des Weiteren werden auch die ermittelten viskoelastischen, viskoplastischen und die zeit- und temperaturabhängigen Eigenschaften auf das homogenisierte Modell übertragen.
- Durchführung numerischer Parameterstudien auf der Makroebene. Im Rahmen einer numerischen Parameterstudie werden die Eigenschaften der Elastomermatrices und der Verstärkungsfasern sowie die Grenzflächencharakteristiken variiert. Diese Variation ermöglicht die Quantifizierung des Einflusses einzelner Parameter auf das Gesamtsystem und liefert damit einen wesentlichen Beitrag zur bedarfsgerechten Optimierung für die Anwendung dieses Verbundsystems.
- Simulation des Strukturverhaltens der Demonstratorbauteile unter Variation der Geometrie. Das Strukturverhalten der angestrebten Demonstratorbauteile wird zunächst mit Hilfe numerischer Simulationen prognostiziert. Dafür werden Finite-Elemente- Modelle für die Demonstratoren erarbeitet und aufbauend auf den Parameterstudien und den Entwicklungen der vorangegangenen Schwerpunkte numerische Analysen zur Ermittlung des mechanischen und thermischen Verhaltens der Strukturen durchgeführt. Aufgrund der Effizienz numerischer Simulationen im Vergleich zu rein experimentellen Untersuchungen erlaubt die virtuelle Analyse die Untersuchung einer größeren Anzahl verschiedener Bauteilgeometrien. Auf Basis der rechnerisch gewonnenen Erkenntnisse und der Anforderungen aus AS 1 erfolgen gemeinsam durch die drei FST die Auslegung der textilen Struktur und die Auswahl der Oberflächenbehandlung bzw. ihrer Parameter für die Umsetzung der Demonstrator-Bauteile zum Abschluß des Projektes.